LUNA全身伽馬刀輸出因子的蒙特卡羅模擬研究*

袁繼龍　程金生*

LUNA全身伽馬刀輸出因子的蒙特卡羅模擬研究*

袁繼龍①程金生①*

目的：利用蒙特卡羅模擬方法，對LUNA全身伽馬刀重要?jiǎng)┝繉W(xué)參數(shù)輸出因子進(jìn)行研究。方法：采集廠商提供的技術(shù)數(shù)據(jù)文檔，建立LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型，模型驗(yàn)證后結(jié)合廠商測量輸出因子所用探測器，設(shè)置蒙特卡羅模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，比較分析廠商提供的輸出因子與蒙特卡羅模擬計(jì)算出輸出因子的差異。結(jié)果：在3%偏差范圍內(nèi)，不同準(zhǔn)直器條件下，廠商提供的輸出因子和蒙特卡羅模擬計(jì)算得到的輸出因子符合性好，并進(jìn)一步分析了相關(guān)差異的原因。結(jié)論：LUNA全身伽馬刀輸出因子的蒙特卡羅模擬研究為該設(shè)備的臨床使用和質(zhì)量控制提供了參考和依據(jù)。

LUNA全身伽馬刀；蒙特卡羅模擬；輸出因子

［First-author’s address］ Key Laboratory， Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety， Chinese Center for Disease Control and Prevention， Beijing 100088， China.

LUNA全身伽馬刀是全身立體定向放射治療專用設(shè)備，目前全國已經(jīng)有40余臺(tái)LUNA全身伽馬刀應(yīng)用于臨床治療。LUNA全身伽馬刀有42顆60Co放射源在源體中沿著臨床X軸和Y軸平面呈扇形對稱分布，通過準(zhǔn)直器聚焦在等中心位置，LUNA全身伽瑪?shù)杜鋫?組不同規(guī)格，即6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、14 mm×14 mm、14 mm×20 mm、14 mm×40 mm和14 mm×60 mm，分別對應(yīng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)準(zhǔn)直器的矩形孔準(zhǔn)直器。

在臨床治療時(shí)放射源體連同準(zhǔn)直器可以繞著臨床Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)行非共面的聚焦照射，最大旋轉(zhuǎn)角度是以臨床Y軸為基準(zhǔn)的180o。6個(gè)型號(hào)的準(zhǔn)直器以滿足頭部、體部腫瘤的體積大小的立體定向放射治療照射需要進(jìn)行安裝使用，所有準(zhǔn)直器條件下在等中心焦點(diǎn)處形成的聚焦野，皆非傳統(tǒng)放射治療10 cm×10 cm的標(biāo)準(zhǔn)照射野，結(jié)合LUNA全身伽馬刀的臨床動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)照射治療特點(diǎn)，其劑量學(xué)研究有著極其重要的臨床治療和質(zhì)量控制意義。由于LUNA全身伽馬刀主要在國內(nèi)使用，其相關(guān)劑量學(xué)研究報(bào)道很少［1-6］。為此，本研究結(jié)合蒙特卡羅模擬的優(yōu)勢進(jìn)行建模，比對廠商測試結(jié)果，對LUNA全身伽馬刀的輸出因子這一重要?jiǎng)┝繉W(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，為LUNA全身伽馬刀放射治療的質(zhì)量控制提供參考和依據(jù)［7-10］。

1　資料與方法

1.1設(shè)備與材料

Luna-260型LUNA全身伽馬刀（深圳一體公司生產(chǎn)）；EGSnrc蒙特卡羅模擬程序工具包（加拿大國家研究中心開發(fā)）。

1.2研究方法

以LUNA全身伽馬刀為模型，根據(jù)廠商提供的技術(shù)文檔，將放射源、放置放射源的源體、預(yù)準(zhǔn)直器以及終準(zhǔn)直器等劑量學(xué)相關(guān)部件的幾何尺寸、相對空間位置分布、對應(yīng)材料及動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)模式作為模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行蒙特卡羅模擬計(jì)算。

1.3蒙特卡羅模擬計(jì)算

蒙特卡羅模擬計(jì)算使用通用EGSnrc蒙特卡羅模擬程序工具包，在BEAMnrc模塊3號(hào)源項(xiàng)中設(shè)置建模部分的相關(guān)部件幾何尺寸、相對空間位置分布和對應(yīng)材料，抽樣γ粒子數(shù)為2×109，獲得終準(zhǔn)直器出口位置的源相空間文件，其主要包括射線到達(dá)設(shè)定位置區(qū)域的位置、角動(dòng)量及對應(yīng)的能量等分布信息。

（1）以此源相空間文件為輸入文件在DOSXYZnrc模塊中進(jìn)行設(shè)置，該部分設(shè)置分兩步進(jìn)行：①驗(yàn)證蒙特卡羅模型，對應(yīng)實(shí)際測量情況，在8號(hào)源項(xiàng)中設(shè)置相關(guān)源分布進(jìn)行靜態(tài)聚焦照射，模體體素為1 mm×1 mm×1 mm，抽樣γ粒子數(shù)為2×109，分析模擬結(jié)果3ddose文件，分別提取臨床X軸、Y軸和Z軸上的聚焦野劑量分布信息，計(jì)算劑量分布半高寬，與廠商技術(shù)文件提供相關(guān)信息進(jìn)行比對分析，驗(yàn)證模型［11］；②在驗(yàn)證蒙特卡羅模型的基礎(chǔ)上，在20號(hào)源項(xiàng)中根據(jù)源體旋轉(zhuǎn)拉弧的角度和源的活度實(shí)際分布進(jìn)行設(shè)置。

（2）在等中心處設(shè)置8 cm×8 cm×8 cm的有機(jī)玻璃模體，等中心位置體素根據(jù)不同準(zhǔn)直器條件下廠商測量輸出因子所用探測器靈敏體積進(jìn)行設(shè)置；①在3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)及6號(hào)準(zhǔn)直器條件下，使用0.015 cc電離室進(jìn)行測量，其靈敏體積近似為2 mm×2 mm×5 mm，1號(hào)和2號(hào)準(zhǔn)直器條件下，使用Diode半導(dǎo)體探測器進(jìn)行測量；②其靈敏體積近似為1 mm×1 mm×1 mm，對這些感興趣區(qū)域體素和0o～180o的旋轉(zhuǎn)聚焦照射進(jìn)行編程設(shè)置；③在每個(gè)準(zhǔn)直器條件下，抽樣γ粒子數(shù)均為2×109，分析模擬結(jié)果3ddose文件，獲取等中心處劑量值，相應(yīng)劑量值（歸一到每一個(gè)粒子）偏差均控制在≤0.5%范圍內(nèi)，偏差計(jì)算為公式1：

［（MC模擬-廠商數(shù)據(jù)）÷MC模擬］×100%（1）

（3）以最大尺寸的6號(hào)準(zhǔn)直器為基準(zhǔn)，分別計(jì)算其余準(zhǔn)直器條件下的輸出因子，并與廠商所提供技術(shù)文件中的相應(yīng)輸出因子進(jìn)行比較分析。

2　結(jié)果

（1）基于EGSnrc的蒙特卡羅模擬環(huán)境在Ubuntu12.04 32位系統(tǒng)下搭建，運(yùn)行CPU為4核InterCoreTM760 2.8 GHz，有效利用內(nèi)存大約為3.0 GB，每個(gè)準(zhǔn)直器條件下BEAMnrc模塊運(yùn)行為4.5 h左右，每個(gè)準(zhǔn)直器條件下DOSXYZnrc模塊運(yùn)行為8 h左右。LUNA全身伽馬刀靜態(tài)聚焦照射時(shí)，等中心處聚焦野在X軸上的劑量分布半高寬見表1。

表1　X軸上劑量分布半高寬(mm)

LUNA全身伽馬刀靜態(tài)聚焦照射時(shí)，等中心處聚焦野在Y軸上的劑量分布半高寬見表2。

表2　Y軸上劑量分布半高寬(mm)

LUNA全身伽馬刀靜態(tài)聚焦照射時(shí)，等中心處聚焦野在Z軸上的劑量分布半高寬見表3。

表3　Z軸上劑量分布半高寬(mm)

（2）根據(jù)不同準(zhǔn)直器條件，分別進(jìn)行對應(yīng)的焦點(diǎn)處感興趣區(qū)域的體素設(shè)置，采用蒙特卡羅模擬計(jì)算，其等中心處感興趣區(qū)域劑量值結(jié)果歸一到每個(gè)抽樣模擬計(jì)算的粒子上，見表4。

表4　蒙特卡羅模擬等中心處感興趣區(qū)域劑量值(×10-17cGy)

（3）由蒙特卡羅模擬等中心處感興趣區(qū)域的劑量值計(jì)算LUNA全身伽馬刀不同準(zhǔn)直器條件下的輸出因子，并與廠商提供基于測量計(jì)算出的輸出因子進(jìn)行比較，其相應(yīng)偏差見表5。

3　討論

本研究目的是在蒙特卡羅模擬計(jì)算輔助下分析LUNA全身伽馬刀輸出因子，涉及的聚焦野焦點(diǎn)吸收劑量全部為小野模式，相較于傳統(tǒng)的放射治療射野劑量分布的測量，小野模式需要考慮靈敏體積較大的探測器，如0.6 cc及0.125 cc電離室，在聚焦野內(nèi)測量時(shí)存在側(cè)向電子欠平衡效應(yīng)及體積效應(yīng)問題，這兩個(gè)效應(yīng)會(huì)影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且LUNA全身伽馬刀所有準(zhǔn)直器條件下的聚焦野都是非標(biāo)準(zhǔn)野，直接用靈敏體積小的電離室如0.015 cc電離室和其他探測器如Diode半導(dǎo)體探測器和MOSFET場效應(yīng)管探測器測量前不但需要在標(biāo)準(zhǔn)輻射場下準(zhǔn)確刻度修正，而且需要預(yù)先了解所測聚焦野的劑量分布情況，以便在不同的聚焦野劑量分布條件下準(zhǔn)確使用合適的探測器。

表5　廠商提供輸出因子與蒙特卡羅計(jì)算輸出因子比較

本研究通過廠商技術(shù)文檔提供的相關(guān)參數(shù)，建立LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型，模擬計(jì)算得到的等中心焦點(diǎn)處三維劑量分布，進(jìn)一步提取出沿著臨床X軸、Y軸及Z軸上劑量分布半高寬和廠商提供的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行對比，表1，表2和表3的結(jié)果對比表明，除最小準(zhǔn)直器條件下模擬結(jié)果大于設(shè)計(jì)允許偏差外，原因應(yīng)該是模體體素設(shè)置為1 mm×1 mm×1 mm，相較于5 mm的劑量分布半高寬相對較大，而且分析模擬計(jì)算結(jié)果時(shí)，采用線性插值方法獲取模擬劑量分布半高寬的方法所造成，此差異在隨后研究中將采用更小的體素來分析該準(zhǔn)直器條件下聚焦野的劑量分布［12］。其余結(jié)果均在聚焦野設(shè)計(jì)允許偏差之內(nèi)，因此本研究建立的LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型得到驗(yàn)證。

利用驗(yàn)證過的蒙特卡羅模型，參考蒙特卡羅模擬出劑量分布半高寬，可以選擇靈敏體積合適的探測器進(jìn)行輸出因子的測量。本研究首先為了驗(yàn)證廠商給出的輸出因子，按照廠商測試所采用探測器的靈敏體積在蒙特卡羅模型的模體中進(jìn)行焦點(diǎn)處感興趣區(qū)域設(shè)置進(jìn)行模擬計(jì)算［13-15］。表5顯示，廠商測試得到的輸出因子和本研究蒙特卡羅模型模擬計(jì)算得到的輸出因子的差異，其中4號(hào)、5號(hào)準(zhǔn)直器的輸出因子偏差很小，3號(hào)準(zhǔn)直器偏差較大，應(yīng)該是廠商測試所用0.015 cc電離室在此準(zhǔn)直器條件下的聚焦野內(nèi)出現(xiàn)體積平均效應(yīng)，造成測量值偏低，測量結(jié)果和模擬結(jié)果出現(xiàn)如此偏差［16］。1號(hào)、2號(hào)準(zhǔn)直器條件下，輸出因子偏差相較于3號(hào)準(zhǔn)直器條件偏差小很多，但與5號(hào)和6號(hào)準(zhǔn)直器條件相比較偏差明顯大些，而且此偏差均表現(xiàn)為測試結(jié)果大于蒙特卡羅模擬結(jié)果，廠商測試1號(hào)和2號(hào)準(zhǔn)直器用的探測器是Diode半導(dǎo)體探測器，其靈敏體積的半導(dǎo)體有效原子序數(shù)大于測試及模擬所用有機(jī)玻璃模體，在測量過程中會(huì)有一定程度的過響應(yīng)效應(yīng)造成測量數(shù)據(jù)偏大，從而導(dǎo)致測試和模擬輸出因子的偏差。

通過建立LUNA全身伽馬刀的蒙特卡羅模擬模型，可以更容易的分析LUNA全身伽馬刀的焦點(diǎn)處三維劑量分布情況，輔助解決現(xiàn)實(shí)中不容易實(shí)驗(yàn)測量的劑量學(xué)參數(shù)的問題，輔助實(shí)驗(yàn)測量中合適探測器的選擇，相應(yīng)復(fù)雜射野情況下修正因子的獲取和測試結(jié)果的科學(xué)合理性分析［17-18］。

4　結(jié)語

本研究介紹了建立LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型的方法，在3%的偏差范圍內(nèi)，廠商提供的輸出因子和蒙特卡羅模擬結(jié)果符合性好，并進(jìn)一步分析了輸出因子的測量和模擬結(jié)果在不同準(zhǔn)直器條件下偏差的原因。本研究為LUNA全身伽馬刀設(shè)備的臨床使用及質(zhì)量控制提供了參考和依據(jù)。同時(shí)，下一步將進(jìn)行LUNA全身伽馬刀的劑量學(xué)研究。

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Monte Carlo Simulation study of LUNA stereotactic body radiotherapy device’s output factors

YUAN Ji-long， CHENG Jin-sheng

China Medical Equipment，2016，13（9）:10-13.

Objective: Using Monte Carlo simulation method to study the important dosimetric parameter output factor of the LUNA stereotactic body radiotherapy device. Methods: Following the manufacturer’s technical documentation to establish the LUNA stereotactic body radiotherapy device’s Monte Carlo model and after model validation. After referring to the output factor measurement’s detector provided by manufacturer， set the relevant parameters in Monte Carlo model at last， compare and analyze the difference of output factor which provided between by manufacturer and calculated by Monte Carlo simulation. Results: In the range of 3% deviation，under the different collimator of condition， output factors which provided by manufacturers and calculated by Monte Carlo are in good agreement， and the reasons for the difference are also analyzed. Conclusion: LUNA stereotactic body radiotherapy device’s output factors of Monte Carlo simulated research work provides reference and basis for the clinical use and quality control.

LUNA stereotactic body radiotherapy device； Monte carlo simulation； Output factor

1672-8270（2016）09-0010-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.003

2016-06-02

國際原子能機(jī)構(gòu)2014-2015國際合作項(xiàng)目（CPR6006）“加強(qiáng)現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)、放射診斷和放射治療實(shí)踐的質(zhì)量保證”

①中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088

chengjs3393@163.com

袁繼龍，男，（1982- ），博士，助理研究員。中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向：輻射劑量與輻射防護(hù)。